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用闭模轧锻工艺生产铁路工业锻件 |
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作者：SMS-EUMUCO GMBH 曼弗雷德.林登布拉特 |
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轴向闭模轧锻工艺，是用于生产回转体精密锻件的新工艺，特别适合于生产圆形工件。
这种既轧又锻的加工方式，将环圈轧制和热模锻两者的优越性集中在一个过程中，也就是说，局部变形受力加闭式锻造的公差。局部变形受力意味着减少变形抗力，这就减小了机器的吨位，加大了机器的抗变形能力和刚度，自然也就能生产出最精密的锻件。
采用轴向闭模轧锻工艺生产出的精密锻件，锻坯用料较少，且允许小的机加工预留量。这种工艺与传统的热模锻工艺相比，为人们提供了一种更有经济效益的工艺方法。在锻造工业中，已经有若干这样的全自动化设备供生产使用。由于采用了快速更换模具的装置和CNC程序控制，这样的设备同样可用于柔性化生产。
一、产品和应用
适合采用轴向闭模轧锻工艺生产的铁路火车工业精密锻件，按照其特征，可以分成两大类，圆盘型锻件(图1a)和环圈型锻件(图1b,1c)。
带有小的中心孔或者不带中心孔的工件(圆盘型锻件)有：
(1)火车和地铁的车轮
(2)轮毂类盘件
(3)城市街道车辆和地铁车辆的轮毂
(4)轮轴法兰件
(5)齿轮盘
带有大的中心孔的工件(环圈型锻件)有：
(1)用在传动齿轮箱里的齿圈，比如，直齿圈和斜齿圈
(2)连接件，比如，法兰
(3)履带传动链齿轮
(4)滚动轴承环圈，比如，球面滚子轴承环圈和止推轴承环圈
最初，闭模轧锻工艺被用来生产轿车的齿轮圈，现今，其应用范围扩展到大的锻件，包括卡车的齿轮圈、法兰，甚至火车的车轮。
图1轧锻工艺生产的精密锻件
(a)圆盘形锻件(b)、(c)在AGW机上生产的环圈型锻件
只要采用的材料具有可锻性，不论是热锻，温锻，还是冷锻，都可以采用轴向闭模轧锻的方式生产，当然，主要还是采用热锻的方式。
二、生产工艺技术、机器设备和模具系统
图2示出了轴向闭模轧锻工艺的工作原理。下模由转矩M驱动，绕竖直旋转轴旋转。上模轴线相对于下模轴线有一个α倾斜角。工件被放置在下模具里，上模凸面跟工件的最初接触为线接触，这是因为上模呈锥形的缘故。如果施加一个F力于上模，使之压入工件，压入量为Δf。上模的凸面与工件此时的接触面就成为了一个抛物面。一旦模具旋转，工件上承受着压力的接触面就变成了一个半抛物面，即用阴影表示的Ap。
图2轴向闭模轧锻工艺的工作原理
图3示出了一台AGW125-280型的轴向闭模轧锻机(最大轧制力1250kN，最大工件外径280mm)。我们生产的机器规格范围是轧制力从630kN到16000kN。
图3AGW型轴向闭模轧锻机
图4显示了轴向闭模轧锻机内的模具系统。在将模具装入机器里之前，先将它装入一个模架里，尔后，作为一个完整的单元装入机器内。再给机器配置一个快速夹紧的装置，以便加速更换上下模具。模架被设计成为可以容纳一系列不同规格尺寸的模芯。在机身里装有一个顶料器，它可以将轧制完毕的工件从下模里顶出来。将上模插入到下模里，起到对中导向的作用，可以减小机器滑块导向的误差和机器的弹性变形对工件精度之不良影响，也取消了型腔的拔模斜角。
图4轴向闭模轧锻机的模具区
三、轴向闭模轧锻生产线
生产圆盘形状工件，比如，火车的车轮。先将工件放在转盘式的加热炉里加热，送入制坯压力机里预锻成初形，跟下来在轴向闭模轧锻机内轧制成最终的形状。锻好的热锻件可以被直接送到临近的调质退火炉里，进行后续的热处理工艺。整个过程全自动化，设备之间通过输送带或者操作机器手来连接。
生产环圈形状工件，在制坯压力机上把坯料预锻成初形，初形具有一个很小的中心孔。中心孔越小，浪费的材料就越少。接下来，在一个扩孔机(轧环机)里，把具有初形的坯料扩成环圈状，满足轴向闭模轧锻机所需的坯件形状。图1b,1c所示的工件，就可以采用MERW型扩孔机来完成这个制坯的扩孔工序。
图5示出了一条轴向闭模轧锻生产线。一个送料装置先把冷剪的坯料放入感应加热炉，加热至锻造温度。在制坯压力机上分几步把坯料预锻成初形，冲中心孔。再在MERW打孔机完成材料体积的分布工作，然后，由AGW轴向闭模轧锻机来把工件轧制成为最终形状或者接近最终形状。
图5轴向闭模轧锻生产线
1.送料装置2.感应加热炉3.换模装置4.制坯压力机5.步进式操作机6.输送装置
7.扩孔机8.输送装置9.轴向闭模轧锻机10.工件输出装置11.控制室
图6所示为火车轮轴系所用双滚子轴承环工件，可以采用轴向闭模轧锻生产线来生产加工，是一种最具经济效益的生产方式。
图6双滚子轴承环轧锻坯料和成品
(a)轧锻环圈型锻件(b)锻制坯料
采用扩孔机MERW，也可将带有中心孔的预锻成形坯料直接轧制成最终形状。图7所示为采用MERW可轧锻的各类工件剖面图。
MERW型的径向扩孔机采用机械传力方式，轧辊芯的两个端部都有支承，加之高刚度的机器结构设计和精密的环圈外径测量系统，从而保证了很小的公差。工件的加工余量自然减少，也不必用校正压力机来校正尺寸。
在一个转盘机架上安置了三个轧辊芯，在轧制的过程中，同时进行着上下料的工作，如此一来，缩短了整个的轧制工作周期。
图7MERW型扩孔机轧锻的各类工件剖面图
四、轴向闭模轧锻与传统锻造工艺的比较
1.高的精密度和重复精度
由其工作原理所决定，轴向闭模轧锻的轧制力大大地小于传统的热模锻造力(约为5%～20%)，其结果，轴向闭模轧锻机体积小而紧凑，机器的刚度当然就高，工件就更精密。轧制力小，还使得模具的弹性变形也变小。
传统的热模锻会有上下模具的错位，可是，在轴向闭模轧锻机里，上模被套在下模里，对正中心，就消除了这样的错位误差。
传统的热模锻还有上下模具的倾斜角度误差，这是由于压机的滑块倾斜而致。可是，在轴向闭模轧锻机里，上下模具均作旋转的运动，金属材料流经由上下模具闭合而成的轧制区。这样一来，工件在整个圆周上都具有相同的高度，排除了顶面跟底面的倾斜角度误差。
经轴向闭模轧锻机轧制的锻件不带飞边，表面光洁度很好。
不论是MERW机，还是AGW机，全都采用数字控制(CNC)。所有机器数据的设置，都借助于控制台上的键盘输入。机器的设定值连同模具的数据，操作模式和其他的指令，全都按照组合的形式，存放在计算机的储存器里，随时重复调用。
所有这些措施保证了生产步骤的重复一致性。轴向闭模轧锻机生产线足以证明其满足最严格的产品质量检查要求。
2.减少材料消耗费用和机加工费用
从其高精度的轧锻质量不难理解，轴向闭模轧锻所制造的工件，由其工作原理所决定，具有特别好的表面光洁度。工件上那些非功能表面，就不必进行金属切削加工，剩下非得进行金属切削加工的加工余量，就被减少到最少量。
对于环圈形的轧锻件，在初锻冲孔时，就把中心孔尽量控制到最小，这样，最多可以节省材料几乎达到35%。对于圆盘形的轧锻件，视工件的尺寸和加工量，最多可以节省材料达20%之多。
顺理而推，既然减少了材料加工量，自然就节省了加热锻件材料和热处理所需要的能量。这也促成用轴向闭模轧锻工艺技术替代传统的锻造技术。
3.高度的柔性化生产
在论及轴向闭模轧锻生产线的高度的经济效益时，机器的柔性化生产能力是除了上述各项特点之外的又一特征。通过简单而又高效的模具更换系统，灵活的传送系统和CNC编程控制系统，保证了机器的这一特征。
五、结论
归结起来，闭模轧锻机具有如下的优越性：
(1)较少的用料，材料节省可达到35%；
(2)高的精度和表面光洁度，减少了切削加工量；
(3)优越的力学强度特性；
(4)高度的灵活性；
(5)设备运行完全自动化；
(6)最低的实验试车费用。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(6/10/2007) |
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